中國電子科技集團公司第三十八研究所 段宗明
薄膜體聲波(FBAR)濾波器研究現(xiàn)狀
中國電子科技集團公司第三十八研究所段宗明
介紹了薄膜體聲波(FBAR)濾波器的基本原理、結(jié)構(gòu)及其性能特點,對國外產(chǎn)業(yè)界的研究進展及市場情況進行了概述,并對國內(nèi)在該領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)。
FBAR;濾波器;發(fā)展
薄膜體聲波FBAR(thin Film Bulk Acoustic Resonators)技術(shù),也稱體聲波BAW(BulkAcousticWave)技術(shù),是壓電效應的一種典型應用。FBAR器件的出現(xiàn)源于上世紀60年代科學家為了拓展石英晶體的高頻段應用所展開的研究,第一個真正意義上的FBAR器件出現(xiàn)于1980年,Lakin和wang實現(xiàn)了在Si片上生長ZnO制成基波諧緒論振頻率為500MHz的薄膜諧振器。1990年,Krishnaswamy和Rosenbaum等首次將FBAR結(jié)構(gòu)的濾波器擴展到GHz頻段。由于缺乏市場需求及可靠的技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn),F(xiàn)BAR諧振器的研究沒能得到大量資金的投入而發(fā)展緩慢。隨著移動通信技術(shù)步入GHz時代,傳統(tǒng)陶瓷雙工器和SAW(surface Acoustic Wave)雙工器均難以勝任,前者由于體積較大與移動終端的微型化背道而馳,后者則由于功率容量較低高頻性能受限從而只能在低頻段應用。目前,移動無線工作頻率逐漸推高,市場的需求驅(qū)動著產(chǎn)業(yè)界和學術(shù)界尋求新的解決方案,擁有優(yōu)異性能的FBAR濾波器逐漸成為研究熱門對象。
2.1基本原理和結(jié)構(gòu)
FBAR的基本原理壓電效應產(chǎn)生體聲波在壓電層中傳播,其傳播距離為聲波半波長或半波長的奇數(shù)倍時,F(xiàn)BAR將產(chǎn)生諧振,其存在兩個諧振點:串聯(lián)諧振頻率fs,此時FBAR阻抗最??;并聯(lián)諧振頻率fp,此時FBAR阻抗最大。FBAR諧振器具有非常高的Q值,因此可以用于設(shè)計高性能濾波器。
當FBAR正常工作時,交變電場激勵起的聲波必須限制在壓電振蕩堆中。為此我們需要在壓電振蕩堆的上下?lián)碛辛己玫穆暡ǚ瓷浣缑?,以最大限度的減少能量的損耗。根據(jù)不同的放射界面及其制作工藝,F(xiàn)BAR擁有三種典型結(jié)構(gòu):硅反面刻蝕型、空氣隙型及固態(tài)裝配型。硅反面刻蝕型FBAR是在硅基底部刻蝕出一個窗口,使得壓電振蕩堆的下界面和空氣相通,達到聲波全反射的目的??諝庀缎虵BAR是利用硅基上刻蝕出一空氣槽,而后在空氣槽上制作諧振器,Q值高,與集成電路工藝兼容。固態(tài)裝配型與前兩者不同,采用布拉格反射層,在壓電振蕩堆下間隔淀積若干層高低交替的阻抗層來反射聲波,其機械牢固性非常優(yōu)秀,但Q值相對較低。
圖1 FBAR三種典型結(jié)構(gòu)
2009年2月Avago公司宣布淘汰以前的固嵌式諧振器(Solidly MountedResonator,SMR)技術(shù),之后的所有產(chǎn)品全部采用FBAR技術(shù)(空氣隙型)。對于空氣隙型,由于其制作簡單及和CMOS工藝兼容的特點,許多國家都將其作為實現(xiàn)集成化的最佳選擇,這是FBAR的主流發(fā)展方向。
2.2性能特點
FBAR的主要應用包括:濾波器、振蕩器、雙工器等。以最常用的濾波器為例,在移動通信系統(tǒng)中, SAW器件由于其低廉的價格和優(yōu)異的性能,SAW濾波器在第二代通信系統(tǒng)GSM中占據(jù)了絕對的統(tǒng)治地位。但是隨著移動通信步入GHz頻段,SAW濾波器由于其本身工作頻段較低等原因限制了它的進一步應用和發(fā)展。FBAR濾波器則適應更高頻段的應用需求。
表1給出的是FBAR濾波器、介質(zhì)濾波器、聲表濾波器的性能對比??梢钥闯鯢BAR濾波器工作于0.5~10GHz頻段,帶外抑制度可以達到50dB,Q值可以達到1000,尺寸最小等,幾乎所有的指標都優(yōu)于其他兩種類型的濾波器。
表1 三種濾波器性能比較
1999年,安捷倫(Agilent)公司的Ruby等人經(jīng)過長達10年的研究,終于成功研發(fā)出應用于1900MHz頻段的薄膜體聲波雙工器,并于2001開始進行大規(guī)模量產(chǎn)。2005年,Agilent半導體事業(yè)部出售給安華高(Avago)科技,F(xiàn)BAR產(chǎn)品線也都歸于Avago名下,到2006年1月份,Avago的FBAR濾波器的出貨量已達2億余只,主要針對手機和數(shù)據(jù)卡市場,并宣稱前十大CDMA US PCS手機和前五大WCDMA手機分別已有九款和四款采用了其FBAR濾波器與雙工器產(chǎn)品。2014年5月16日,Avago推出了最新應用在LTE Band41(2496-2690MHz)的最新產(chǎn)品ACPF-7141,其插損≤2.1dB,帶外抑制≥35dB。
除Agilent公司以外,英飛凌(Infineon)、恩志葡(NXP)、超群(TriQuint)、愛普科斯(EPCOS)意法半導體(ST)以及括韓國Samsung在內(nèi)的公司都對FBAR技術(shù)投入了相關(guān)的研究并推出相應的產(chǎn)品。盡管如此,目前市場上FBAR產(chǎn)品供應商主要有Avago、TriQuint,其中Avago的產(chǎn)品性能優(yōu)于TriQuint。
2009年底,Avago公司宣布FBAR濾波器全球供貨己超過10億只。根據(jù)德國WTC市調(diào)公司在2007年的市場分析,F(xiàn)BAR的市場占有率:Avago為74%,Infineon為23%,Avago FBAR市場占有率遙遙領(lǐng)先于其它公司。
國內(nèi)FBAR技術(shù)研究主要還是集中在高校和科研院所。浙江大學早在1994年就開始FBAR工藝方面的研究,2006年制備出了高模FBAR原型器件。2008年中國科學院聲學研究所研究了基于薄膜體聲波諧振器的梯形結(jié)構(gòu)射頻濾波器的設(shè)計。除此之外,還有天津大學、華中科技大學、電子科技大學等也都FBAR方面投入了研究。
2011年,龐慰教授依托天津大學建立了一條6英寸FBAR產(chǎn)線,該線采用空氣隙結(jié)構(gòu),其設(shè)計產(chǎn)品已用于手機射頻模組。依托國家項目,天津大學聯(lián)合國內(nèi)中電科13所正在籌劃建立8英寸產(chǎn)線。
2013年10月,中電科13所報道了自主設(shè)計、采用空氣隙型結(jié)構(gòu)加工的S波段4節(jié)FBAR濾波器芯片,突破了高c軸取向ALN壓電薄膜淀積技術(shù)、精密空氣腔制作技術(shù)。中心頻率2340MHz,中心插損3.8dB,3dB帶寬25MHz,矩形系數(shù)達2.24:1,帶外翹起在35dB以下,輸入輸出阻抗均為50Ω。
圖2 FBAR濾波器(a)傳輸響應曲線(b)芯片結(jié)構(gòu)圖
中電科26所也對FBAR濾波器進行了研究,通過代工設(shè)計開發(fā)出了2.4GHz濾波器,帶外抑制度在35dB左右。產(chǎn)業(yè)界方面,華為、中興也都關(guān)注FBAR的研究開發(fā)。Avago-華為-浙江大學曾經(jīng)就FBAR進行三方合作研發(fā),主要是提高功率和實現(xiàn)多模手機的多工器集成。國內(nèi)還有中電科24所、13所、55所以及士蘭微、國民技術(shù)研究所和公司也都與浙江大學、天津大學展開過交叉合作,但到目前為止,仍未看到滿足工程應用的好的實質(zhì)性成果。
FABR技術(shù)仍未達到成熟階段,其在GHz頻段優(yōu)異的性能使得該項技術(shù)擁有非常大的潛力,在下一代移動通信射頻系統(tǒng)將會替代SAW器件,具有廣闊的市場前景。未來3-5年內(nèi)FBAR將趨于成熟,但仍然是以FBAR分立器件為主。作為集成技術(shù)發(fā)展趨勢可能是:在硅基片上首先進行射頻前端有源電路如LNA、PA、Mixer等電路的設(shè)計,通過TSV等高級SIP封裝技術(shù),將FBAR濾波器、振蕩器等器件與射頻收發(fā)前端芯片系統(tǒng)集成,從而進一步減小系統(tǒng)體積、成本和功耗。
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段宗明,工程師,主要研究方向為射頻集成電路設(shè)計。